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1、第六章 金属氧化物半导体场 效应晶体管,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,教学要求1.了解理想MOS结构基本假设及其意义。2.根据电磁场边界条件导出空间电荷与电场的关系3.掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。4.正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。5.导出反型和强反型条件,（6-1-1）,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,1.理想MOS结构基于以下假设：（1）在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷。（2）金属和半导体之间的功函数差为零.（3）SiO2层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。因此，即使 有外加电
2、压，表面空间电荷区也处于热平衡状态，这使得整 个表面空间电荷区中费米能级为常数。,图6.1 金属-氧化物-半导体电容,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,确定表面势s和费米势F与MOS偏置状态的关系取Ei（体内）为零电势能点，则任一x处电子的电势能为Ei(x)-Ei(体内）=-q(x),任一点电势,表面势,费米势,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,F的正负和大小与Si衬底的导电类型和掺杂浓度有关,p型半导体,n型半导体,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,1.VG=0 平带金属和半导体表面无电荷，场强为,正常情况下，MOS电容背面接地，VG
3、定义为加在栅上的直流偏置。由于在静态偏置条件下没有电流流过器件，所以费米能级不受偏置的影响，且不随位置变化。半导体体内始终保持平衡，与MOS栅上加电压与否无关所加偏置VG引起器件两端费米能级移动：EFM-EFS=-qVGVG0导致器件内部有电势差，引起能带弯曲。金属是等势体，无能带弯曲。绝缘体中的电场为匀强电场，电势和电势能是位置x的线性函数，VG 0，绝缘体和半导体中的能带向上倾斜，反之，向下倾斜。在半导体体内，能带弯曲消失。,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,2.VG0由于垂直表面向上的电场的作用，紧靠硅表面的空穴的浓度大于体内热平衡多数载流子
4、浓度时，称为载流子积累现象,积累状态下xd非常小,电荷块图,能带图,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,积 累,s0,3.VG0,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,VG0,(较小负偏置），空穴的浓度在O-S界面附近降低，称为空穴被“耗尽”，留下带负电的受主杂质。,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,电荷块图,能带图,耗 尽,0s2 F,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,4.VG0,若正偏电压越来越大，半导体表面的能带会越来越弯曲，在表面的电子浓度越来越多，当表面的电子浓度ns=ni时，称为弱反型；继续增加电压VG=VT 时，ns=NA,表面形成强反型，称为耗尽-反型的转折点
5、,强反型条件；,反型条件:,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,耗尽和反型转折点,电荷块图,能带图,5.VGVT时,表面少数载流子浓度超过多数载流子浓度，这种情况称为“反型”。,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,反型,电荷块图,能带图,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,n型MOS电容的不同偏置下的能带图和对应的电荷块图,n型MOS电容的不同偏置下的能带图和对应的电荷块图,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,s,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,例题：两个理想MOS电容的电荷块图分布如下图所示，对每 一种情况：完成以下三个问题：（
6、1）半导体是n型还是p型（2）器件偏置模式是积累、耗尽还是反型？（3）画出该电荷块图对应的MOS电容能带（4）画出该结构的高频C-V特性曲线，并在图中用符号“”标出与该电荷块图相对应的点（3分）,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,MOS电容的静电特性,1半导体静电特性的定量描述 目标：建立在静态偏置条件下，理想MOS电容内部的电荷，电场E 和电势 金属：M-O界面电荷分布在金属表面 几范围内=，E=0，=常数 绝缘体：=0，E=Eox，=Eoxx0 半导体体内：体内E=0处=0,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,半导体中积累,=（0）E=0（
7、x0)=0(x0),6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,半导体中耗尽层宽度,耗尽层中的电荷密度,泊松方程,电 场,电势,x=xd处，E(xd)=0,(xd)=0,边界条件,=qNa,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,耗尽层宽度和表面势的关系,表面势,最大耗尽层宽度,6.2 理想MOS电容器,6.2 理想MOS电容器,教学要求 2.了解电荷QI的产生机制 3.了解积累区、耗尽区、反型区和强反型情况下，MOS电容的变 化规律及影响MOS电容的主要因素,1.导出公式（62-24）、（6-2-25）。,MOS中无直流电流流过，所以MOS电容中最重要的特性就是C-V特性，把理想C-V特性曲线和
8、实测C-V曲线比较，可以判断实际MOS电容与理想情况的偏差。而且在MOS器件制备中，MOS电容的C-V特性检测也常作为一种常规的工艺检测手段。,6.2 理想MOS电容器,6.2 理想MOS电容器,MOS系统单位面积的微分电容微分电容C与外加偏压VG 的关系称为MOS系统的电容电压特性。,（6-2-1）,（6-2-2）,若令,（6-2-3）,（6-2-4）,则,（6-2-5）,C0绝缘层单位面积上的电容，Cs半导体表面空间电荷区单位面积电容。,6.2 理想MOS电容器,6.2 理想MOS电容器,（6-2-6）,（6-2-7）,对于理想MOS系统，绝缘层单位面积电容：,6.2 理想MOS电容器,半
9、导体的表面电容Cs是表面势s的函数，因而也是外加栅电压VG的函数,6.2 理想MOS电容器,将电容随偏压的变化分成几个区域，变化大致情况如图6-7所示。,图6-7 P型半导体MOS的C-V特性,n型MOS电容高、低频C-V特性,6.2 理想MOS电容器,积累区（VG0）(以n衬底为例）直流O-S界面积累多子，多子在10-10-10-13秒的时间内达到平衡。加交变信号，积累电荷的改变量Q，只在界面附近变化，因此MOS电容相当于平板电容器,MOS系统的电容C基本上等于绝缘体电容C0。当负偏压的数值逐渐减少时，空间电荷区积累的电子数随之减少，并且Qs随s 的变化也逐渐减慢，Cs 变小。总电容 C也就
10、变小。,6.2 理想MOS电容器,平带情况（VG=0）,由掺杂浓度和氧化层厚度确定,6.2 理想MOS电容器,6.2 理想MOS电容器,耗尽区（VG0）(以n衬底为例）,栅上有-Q电荷，半导体中有+Q的受主杂质ND+，ND+的出现是由于多子被排斥，因此器件工作与多子有关，仍能在10-10-10-13秒内达到平衡，交流信号作用下，耗尽层宽度在直流值附近呈准静态涨落，所以MOS电容看作两个平板电容器的串联。,6.2 理想MOS电容器,(氧化层电容),（半导体电容）,耗尽区（VG0）(以n衬底为例）,在耗尽区xd随VG的增大而增大，所以C随VG的增大而减小VG从0VT，xd从0 xdm，Cdep从C
11、O CT,6.2 理想MOS电容器,6.2 理想MOS电容器,氧化层电容,6.2 理想MOS电容器,（6-2-24）,（6-46）,（6-47）,6.2 理想MOS电容器,反型：出现反型层以后的电容C与测量频率有很大的关系，在测量电容时，在MOS系统上施加有直流偏压VG,然后在VG之上再加小信号的交变电压，使电荷QM变化，从而测量C.,反型 直流偏置使xd=xdm，O-S界面堆积很多少子，少子的产生过程很慢。在交流信号作用下 平衡栅电荷的变化少子电荷的变化，耗尽层宽度的变化，究竟哪一种电荷起主要作用呢？低频0，少子的产生和消除跟得上交流信号的变化，此时如同在积累情况,6.2 理想MOS电容器,
12、6.2 理想MOS电容器,高频：少子的变化跟不上交流信号的变化，此时少子的数目固定在直流时的值，主要依靠耗尽层宽度的变化来平衡栅电荷的变化，类似于耗尽偏置,积累,耗尽,）,反型（,=,反型（,（,6.2 理想MOS电容器,6.2 理想MOS电容器,将电容随偏压的变化分成几个区域，变化大致情况如图6-7所示。,图6-7 P型半导体MOS的C-V特性,n型MOS电容高、低频C-V特性,例1：,6.2 理想MOS电容器,下图是理想MOS电容在不同静态偏置下的能带图，每个图对应的MOS电容的偏置状态为：A图对应于；B图对应于；C图对应于；D图对应于；,例2理想MOS-C结构的C-V特性图和能带图如下图
13、所示，则与C-V特性图上各点对应的能带图为,6.2 理想MOS电容器,例3下图是一个工作在T=300K、VG0的理想MOS电容能带图，在硅-二氧化硅界 面处EF=Ei。（1）F=？（2）s=？（3）VG=?(4)画出对应于该能带图的电荷块分布图。（5）画出所给MOS电容的低频C-V特性曲线的大致形状，用符号大致标出与该能带图所给状态对应的点。,6.2 理想MOS电容器,6.2 理想MOS电容器,例4.T=300K下的理想MOS电容，x0=0.2m,其能带图如图所示。所施加的栅极偏压使得能带弯曲，在Si-SiO2界面EF=Ei。回答下列问题：（a）画出半导体内部的静电势作为空间位置函数的曲线（b
14、）粗略的画出半导体内部以及氧化层内部的电场E作为空 间位置函数的曲线（c）半导体达到平衡了吗？为什么（d）粗略的画出半导体内部电子浓度随位置变化的曲线（e）Si-SiO2表面的电子浓度是多少,6.2 理想MOS电容器,（f）ND=?(g)S=？(h)VG=?(i)氧化层上的压降ox是多少？(j)在图中所示偏置点上MOS电容的归一化小信号电容C/CO是多少？,6.2 理想MOS电容器,6.2 理想MOS电容器,(a),(b),(c)半导体处于平衡态，因费米能级处于一条直线,6.2 理想MOS电容器,xb,xb,xb,xb,xb,xb,（d),(e)n=ni 因为在界面处EF=Ei,xb,6.2
15、理想MOS电容器,（h),(j)耗尽状态,xb,6.2 理想MOS电容器,6.2 理想MOS电容器,例5对于本征硅上的理想MOS电容，（a）画出该电容在平带情况下的能带图。图中要求包含 MOS电容的三个部分，画出金属和半导体的费米能 级，并且标出能级位置（b）画出在正栅极偏压下，该电容对应的电荷块图（c）画出所给MOS电容的低频C-V特性曲线，在每个工作 区证明你所画的曲线形状,6.2 理想MOS电容器,6.2 理想MOS电容器,6.2 理想MOS电容器,一个理想MOS电容，工作在T=300K下。X0=0.1m，ND=21015/cm3，AG=10-3cm2。（a）画出该器件的高频C-V特性曲
16、线的大致形状（b）定义CMAX为最大的高频电容，求CMAX（c）定义CMIN为最小的高频电容，求CMIN（d）若VG=VT，求S。（给出表达式及数值答案）（e）计算VT,6.2 理想MOS电容器,（f）假设栅极偏压使得S=3F/2，请画出MOS电容对应于该栅偏置时的能带图。（要求画出MOS电容的所以三个部分，画出氧化层和半导体中正确的能带弯曲，以及金属和半导体中费米能级的正确位置。）（g）假设栅偏压使得S=5F/2，请画出对应于该栅偏置的电荷块图。（h）若测量该器件的C-V特性时，所加的直流偏压很快的从积累扫描到反型，请用虚线在（a）答案的同一坐标下画出这种情况将会得到的C-V特性曲线。,6.
17、2 理想MOS电容器,6.2 理想MOS电容器,6.2 理想MOS电容器,6.2 理想MOS电容器,（a）考虑图所示的C-V特性曲线，哪个或哪些曲线反映了 当VGVT时，存在平衡的反型层？请给予解释。,（b）下图中比较了两个相同的栅极面积（AG）的MOS电容的 C-V特性曲线。曲线b与曲线a相比，其氧化层厚度（选择：更薄，相同，更厚）？其掺杂浓度有何不同（选择：更低，相同，更高）请给予简单解释,6.2 理想MOS电容器,小结MOS电容定义为绝缘层单位面积电容导体表面空间电荷区单位面积电容,（6-22）,（6-29）,（6-25）,6.2 理想MOS电容器,小结归一化电容在耗尽区 归一化MOS电
18、容 随着外加偏压 的增加而减小画出了理想系统的电容电压特性（图6.7）。,（6-28）,（6-45）,（6-46）,6.3沟道电导与阈值电压,6.3沟道电导与阈值电压,一 沟道电导式中 为沟道中的电子浓度。为沟道宽度。即为反型层中单位面积下的总的电子电荷沟道电导为,（6-51）,（6-52）,（6-53）,6.3沟道电导与阈值电压,二 阈值电压：定义为形成强反型所需要的最小栅电压。当出现强反型时 沟道电荷受到偏压 控制，这正是MOSFET工作的基础。阈值电压：第一项表示在形成强反型时，要用一部分电压去支撑空间电荷；第二项表示要用一部分电压为半导体表面提供达到强反型时所需要的表面势。,（6-51
19、）,（6-54）,（6-55）,6.3沟道电导与阈值电压,小结二个概念：沟道电导、阈值电压沟道电导公式阈值电压公式,（6-53）,（6-54）,6.3沟道电导与阈值电压,教学要求掌握概念：沟道电导、阈值电压导出沟道电导公式（6-53）导出阈值电压公式（6-54）说明阈值电压的物理意义。,6.4实际MOS的电容电压特性,6.41 金属-半导体功函数差 实际器件中MS，系统处于平衡时，金属和半导体的费米能级一致，则两种材料的真空能级必然不同，在系统的不同部分之间出现电场Evac，半导体中出现能带弯曲，,6.4实际MOS的电容电压特性,M=SMOS结构的平衡能带图,MS MOS结构的平衡能带图,6.
20、4实际MOS的电容电压特性,6.4 实际MOS的电容电压特性,以铝电极和P型硅衬底为例。铝的功函数比p型硅的小，前者的费米能级比后者的高。接触前，功函数差,由于功函数的不同，铝二氧化硅P型硅MOS系统在没有外加偏压的时候，在半导体表面就存在表面势 s0。因此，欲使能带平直，即除去功函数差所带来的影响，就必须在金属电极上加一负电压。,这个电压一部分用来拉平二氧化硅的能带，一部分用来拉平半导体的能带，使 s0。因此称其为平带电压。,6.4实际MOS的电容电压特性,6.4 实际MOS的电容电压特性,MS0 对器件特性的影响对理想MOS，平带电压为0，对应的高频C-V特性曲线如图中的虚线。对实际器件，
21、需要加栅电压VG=MS,以达到平带状态。由于两种情况在平带条件下的电容相同，实际器件的平带点沿电压轴横向移动了MS 对理想器件C-V特性曲线上的任意一点，在实际器件上需在栅上加电压MS，才能得到相同的电容理想C-V与实际C-V曲线之间的电压飘移了VG VG=(VG-VG1)sameC=MS,6.4 实际MOS的电容电压特性,功函数差对MOS电容高频特性的影响,n型衬底MS MOS结构的平衡能带图,6.4 实际MOS的电容电压特性,界面陷阱和氧化物电荷的影响,热生长的SiO2-Si结构中电荷中心的特点和位置,理想MOS假设在氧化层中或氧化层-半导体界面没有电荷中心。而实际器件中，氧化层电荷则会带
22、来很大的电压漂移和不稳定性。通过广泛研究，已确定了一些处于氧化层中或氧化层-半导体界面的电荷中心。,6.4 实际MOS的电容电压特性,界面陷阱电荷Qit（interface trapped charge）硅（100）面，Qit约1010cm2，硅（111）面，Qit 约 1011cm2。氧化物固定电荷Qf（fixed oxide charge）Qf位于Si-SiO2界面约3nm的范围内，这些电荷是固定的，Qf是正的。硅（100）面，Qf约1010cm2 硅（111）面，Qf 约 51010cm2。因为（100）面的Qit 和Qf 较低，故硅MOSFET一般采用（100）晶面。,氧化物陷阱电荷Q
23、Ot（oxide trapped charge）界面陷阱的来源Si界面的悬挂键减少界面陷阱浓度的方法金属后退火或在氢气氛中退火，以减少悬挂键的浓度大都可以通过低温退火消除。可动离子电荷Qm（mobile ionic charge）诸如钠离子和其它碱金属离子，在高温和高压下工作时，它们能在氧化层内移动。,6.4 实际MOS的电容电压特性,氧化物电荷对平带电压的影响,绝缘层中的电荷对平带电压的影响与他们所处的位置有关,6.4 实际MOS的电容电压特性,6.4 实际MOS的电容电压特性,1.在M-SiO2界面的电荷对平带电压没影响2.在SiO2-Si界面的固定电荷QF,6.4 实际MOS的电容电压特
24、性,界面陷阱是指界面缺陷在禁带中引入了允许电子占据的能级，使界面在不同偏置状态下具有不同的与界面陷阱相关的电荷，从而使MOS器件的C-V特性与理想C-V特性偏离。,6.4 实际MOS的电容电压特性,6.4 实际MOS的电容电压特性,图 n型器件，在不同偏置下，界面能级填充情况反型(b)耗尽(c)积累施主型陷阱，被电子占据为中性，空态带正电受主型陷阱，被电子占据带负电，空态为电中性 反型QIT最大，积累QIT最小，耗尽QIT界于二者之间,6.4 实际MOS的电容电压特性,6.4 实际MOS的电容电压特性,结论,QF，QM、MS导致C-V特性曲线相对理想曲线沿电压轴产生平行的负漂移QIT引起的VG
25、会因所加偏置的不同或正或负，因而使C-V特性曲线产生畸变目前生产商开发了一些减少MOS器件非理想性的工艺技术，可制备出近乎理想的器件,6.4 实际MOS的电容电压特性,实际的MOS阈值电压和C-V曲线 平带电压:为实现平带条件所需的偏压：,（6-4-1）,第一项是，为消除半导体和金属的功函数差的影响，金属电极相对于半导体所需要加的外加电压；第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要加的外加电压；第三项是支撑出现强反型时的体电荷，所需要的外加电压；第四项是开始出现强反型层时，半导体表面所需的表面势。,阈值电压,6.4 实际MOS的电容电压特性,例题：,标准MOSFET，
26、其理想情况下的阈值电压为0.8V。xo=0.05m,AG=10-3cm2,非理想特性的相关参数为：MS=-0.89eV,QM=0,QIT=0,假设T=300K。1.确定平带电压VFB2.确定实际MOSFET反型开始对应的栅电压VTH（4分）3.给定的MOSFET是增强型MOSFET还是耗尽型MOSFET（2分,6.4 实际MOS的电容电压特性,VG=0时器件导通，因此是耗尽型MOSFET,6.4 实际MOS的电容电压特性,6.5 MOS场效应晶体管,6.5 MOS场效应晶体管,基本结构和工作过程,1.源极（S），漏极（D），栅极（G），有源区，场区 2.S与D在没有加外电压之前不能确定。3.n
27、FET（p型衬底，沟道电子导电）,D极是具有较高电压的一断 4.pFET（n型衬底，沟道空穴导电），D极是具有较低电压的一端 5.电流流动是由载流子（nFET为电子，pFET为空穴）在受栅极（G）控制的情况下，从源（S)向漏（D)运动而形成的。,6.5 MOS场效应晶体管,6.5 MOS场效应晶体管,2.MOSFET器件工作机理的定性分析,VG=0，VD0，从源到漏是两个背靠背的反偏PN结，只有很小的反偏电流流过。VGVT,MOS处于积累或耗尽，沟道中只有NA-耗尽层，MOS开路，ID=0VGVT,沟道中电子堆积，反型层导电能力增强，MOS导通。VG越大，反型层电子越多，导电能力越强,VGVT
28、H,沟道没有电子反型层，漏电流为0,6.5 MOS场效应晶体管,VGVTH,沟道有电子反型层，漏电流为ID,6.5 MOS场效应晶体管,（1）VD=0，热平衡ID=0,VGVTH的导通情况下，VD对电流ID的影响,（2）VD增加小的正电压，沟道类似简单电阻，ID随 VD成正比增加,（3）VD大于零点几伏，VD对栅的反型起负面影响，因为 漏端pn结反向偏置。VD增加，耗尽层增大，使漏端附近反型层电子减少，沟道导电能力下降，ID随VD增加的斜率变小,VGVT的导通情况下，VD对电流ID的影响,（4）VD继续增加，直到漏端 附近反型层电子消失，称作沟道夹断，对应于B点，此时的VD=VDS定义为夹断电
29、压,VGVT的导通情况下，VD对电流ID的影响,VGVT的导通情况下，VD对电流ID的影响,(5)VDVDS时，沟道夹断部分L增宽，夹断区载流子很少，电导率减小，VD超过VDS的部分主要降落在L夹断区。对于长沟道MOS,LVDS，ID基本保持 不变;对于短沟道MOS（L L），当VDVDS，ID随VD的增加略 有增加,VGSVT的导通情况下，VDS对电流ID的影响,（6）VGVTH,VG越大，反型层电子越多，对应夹断的VDS越 大；ID-VD特性曲线起始斜率随VG增大而增大。（7）MOS管输出电流受栅电压控制，VGVTH导通，导通情况下，VDVDS,MOS工作在饱和区,。,VGVT的导通情况下
30、，VD对电流ID的影响,理想假设：（1）忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻；（2）沟道内掺杂均匀；（3）载流子在反型层内的迁移率为常数；（4）长沟道近似和缓变沟道近似，即Ex为一常数（5）沟道中的电流主要是由漂移产生的,电流-电压关系：数学推导,用来推导ID-VD关系的MOSFET示意图,6.5 MOS场效应晶体管,6.5 MOS场效应晶体管,VGVT，0VDVDs情况下，ID-VD特性曲线的平方律理论推导,平方律理论假设栅上电荷的变化仅由反型电荷QI变化来平衡，即耗尽层宽度不变.在MOSFET沟道中，漂移占主导作用,6.5 MOS场效应晶体管,6.5 MOS场效应晶体管,线性区 感应沟道电荷
31、漂移电子电流（6-70）式称为萨支唐（C.T.Sah）方程。,MOSFET的半导体的电势从S端的0升到D端的VD，平板电容器在源端的电势差VG-VTH-0，漏端VG-VTH-VD，中间任一点为VG-VTH-V(y）,6.5 MOS场效应晶体管,6.5 MOS场效应晶体管,饱和区 假设在L点发生夹断，,方法二：,总结,MOSFET的平方律理论 NMOS：VTH0 VGVTH MOSFET导通 VDVDs,PMOS:VTHVTH,MOSFET截止 VGVTH,MOSFET 导通,例题,N沟MOSFET的特性由下列参数表征。（1）栅电压VG是多少？（2）若VG=2V，VD=2V，求：ID=？gd=?
32、gm=?（3）若VG=3V，VD=1V，求：ID=？gd=?gm=?（4）对（2）和（3）给定的条件，分别画出通 过沟道的反型层电荷和耗尽区,6.5 MOS场效应晶体管,6.6 等效电路和频率响应,6.6 等效电路和频率响应,教学要求 1.线性导纳、导通电阻、线性区跨导、饱和区跨导、饱和区的漏极电阻，栅极电容 2.导出公式（6-6-2）、（6-6-5）、（6-6-6）3.画出交流等效电路图6-20 4.计算了截止频率，指出提高工作频率或工作速度的途径作业：6.11、6.12,6.6 等效电路和频率响应,夹断前,6.6 等效电路和频率响应,线性区的电阻，称为开态电阻，或导通电阻，可用下式表示,6
33、.6 等效电路和频率响应,夹断后,6.6 等效电路和频率响应,图6-19 MOSFET中沟道导纳与的对应关系,6.6 等效电路和频率响应,3.饱和区的漏极电阻rDS 饱和区漏极电阻可以用作图法从漏极特性中求得。4.栅极电容(本征电容）,6.6 等效电路和频率响应,输出短路时,减小沟道长度可以提高工作频率,6.6 等效电路和频率响应,6.6 等效电路和频率响应,小结交流小信号参数：线性导纳 导通电阻 线性区跨导：对式（6-70）求导,（6-76）,（6-77）,（6-79）,6.6 等效电路和频率响应,小结饱和区跨导：对式（6-74）求导 饱和区的漏极电阻 栅极电容 ZL,（6-79）,（6-8
34、0）,（6-81）,6.6 等效电路和频率响应,小结给出了交流等效电路图6-20计算了截止频率 提高工作频率或工作速度的途径：沟道长度要短，载流子迁移率要高。,（6-82）,制备出一个标准MOSFET，相关参数为：MS=-0.89eV,QM=0,QIT=0,xo=0.05m,AG=10-3cm2,NA=1015/cm3,假设T=300K。确定平带电压VFB。确定反型开始对应的栅电压VTh给定的MOSFET是增强型MOSFET还是耗尽型MOSFET,图1,图2,6.6 等效电路和频率响应,(4)如果MOSFET中内部状态如下图1所示，在图2所示的ID-VD特性曲线上确定相应的工作点（5）若在VG
35、-VTh=3V、VD=1V情况下，MOSFET的漏断电流ID=2.510-4A,采用平方律关系，求在VG-VTh=3V、VD=4V情况下的漏断电流？,6.6 等效电路和频率响应,（1）,(2),(3)由于,，MOSFET开始导通，在,VG=0时器件导通，因此是耗尽型MOSFET（4）可见MOSFET沟道被夹断，相应于饱和开始的点为点D。（5）如果,MOSFET工作夹在夹断前的情况，由平方定律公式，有,当VG-VT=3V，VD=4V，器件进入饱和，有,6.6 等效电路和频率响应,作业题17-3,室温下理想P沟MOSFET（1）VD=0，器件开启时的能带图（2）VD=0，器件开启时的电荷块图（3）
36、画出器件夹断时MOSFET中的反型层和耗尽层,6.8场效应晶体管的类型,6.8场效应晶体管的类型,按照反型层类型的不同，MOSFET可分 四种不同的基本类型,N沟MOSFET：P沟增强型：VG=0，器件没有导通 P沟耗尽型：VG=0，器件已经导通,P沟MOSFET：P沟增强型：VG=0，器件没有导通 P沟耗尽型：VG=0，器件已经导通,6.8场效应晶体管的类型,6.8场效应晶体管的类型,表6.2四种器件的截面、输出特性和转移特性,6.8场效应晶体管的类型,表6.2四种器件的截面、输出特性和转移特性,亚阈值电导理想ID-VD关系中，当VGVTH时，MOSFET截止，ID=0实际器件，当VG VT
37、H时，ID并不为0，把VG VTH时的漏电流称为亚阈值电流,理想和实验 函数关系的比较,s2fp时，在半导体表面EF更靠近EC，表面处于弱n型，沟道中存在少量电子，使沟道导通。fps2fp,夹断前,夹断后,漏端电流反比于沟道长度，考虑沟道调制效应,例题,例1.一个理想的N沟道MOSFET,在T=300K下进行特性分析，器件参数为：,VG-VTVD,VG-VTVD,2,4,VG,VD=2V,VD=4V,VD=6V,下图给出了理想MOSFET的ID-VD特性图，所给特性中IDS=10-3A,VDS=5V，请用平方律理论及图中所给信息回答下列问题：（1）若阈值电压VTH=1V,为了得到图中的特性曲线，需要在栅 极施加多大的电压？（2）若x0=0.1m,MOSFET偏置在图中点2处，求其沟道区靠近漏 端单位面积（每平方厘米）上的反型层电荷?（3）假设栅极电压被调整到VG-VTH=3V，求VD=4V时的ID?（4)若图中点3为该MOSFET的静态工作点，请求出沟道电导(5)若图中点3为该MOSFET的静态工作点，请求出跨导gm?,
